基于多波束測深技術的長江航道測量研究

摘 要：該文基于筆者多年從事航道測量的相關工作經驗，以SEABAT8101多波束測深系統在某航道疏浚工程中的應用為研究對象，探討了多波束測深系統安裝測試方法，定位導航實施方法，及測量步驟與數據處理思路，全文是筆者長期工作實踐基礎上的理論升華，相信對從事相關工作的同行有著重要的參考價值和借鑒意義。

關鍵詞：多波束測深系統 航道疏浚 數據處理 導航

中圖分類號：U612文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2013）05（a）-0052-02

1 工程概況

重慶港地處我國中西結合部，水路可直達長江八省二市，陸路與成渝、襄渝、渝黔、渝懷鐵路和成渝、渝黔、重慶至武漢、重慶至長沙等高速公路相連，是長江上游最大的內河主樞紐港，現為全國內河主要港口。水位：歷年最高水位為193.38 m，最低水位為159.47 m。常年水位落差在20 m以上。港口中心區平均表面流速，長江枯水位為0.9～1.95 m/s，中洪水為2.5～4 m/s；嘉陵江枯水位為0.91～1.87 m/s，中洪水為3～4 m/s，最大流速為4～7 m/s。

2 多波束測深系統安裝測試

本工程中投入SEABAT8101多波束系統進行測量實施。該系統在引進后就一直都是安裝在固定的測量船的固定位置上，所以系統進行使用都是整體工作的。

多波束測深系統的各部分，按設計位置進行安裝，并量測DGPS接收機天線，多束換能器、運動傳感器（DMS-05）、電羅經等相對船體坐標系原點的位置關系。量測各傳感器相對船體坐標原點的偏移量，以便在數據處理進行相應的改正。

2.1 電羅經傳感器的安裝

電羅經的安裝位置有著嚴格的要求，電羅經傳感器應安裝在船舶中心附近，電羅經指示方向應與船首方向一致，并且要求在船體坐標系的水平面內。安裝位置應遠離導磁物質或易被磁化的物質；電羅經與較大的鐵性物體、強電流的電線及電池組至少保持1.3～1.5 m的距離；一些電子設備（如計算機、電視顯示器、雷達磁控管、擴音器、UPS不間斷電源裝置等）的使用會影響電羅經的正常工作，使其測出的方向數據失真或干憂，應遠離它們。

2.2 運動傳感器（運動補償儀，DMS-05）的安裝

運動傳感器應固定安裝，并盡可能與水平面平行；運動傳感器離船舶重心的越遠，船舶縱橫傾幅度越大，產生的測量誤差也越大，所以安裝位置應在船舶的重心或盡可能靠近重心；運動傳感器的安裝具有方向性，其罩殼上的指示方向應與船艏方向一致，否則將產生反向改正，造成嚴重誤差。

2.3 多波束換能器的安裝

多波束換能器的安裝主要取決于船型和船的結構。同時還應考慮多波束測深系統使用的水域，如在內河測量，因受風浪的程度較小，可以安裝在船首，而在潮汐河口或近海水域，因受風浪的程度較大，宜采用船舷固定安裝。安裝時要注意固定好，以免測量換能器產生抖動，下沉。此外，還考慮換能器的安全性，以免在靠離碼頭碰撞損壞，建議安裝的換能器，還具有可拆卸或可移動的功能。

2.4 DGPS接收機天線的安裝

DGPS接收機天線應安裝在船舶高處（低于避雷針），視場內障礙物的高度角不能超過10 °；盡可能遠離船舶主桅桿；盡量遠離大功率的無線電發射信號源（如雷達、高頻電話天線等）；天線安裝要穩固，避免船舶姿態變化使其產生位移；天線位置應選擇遠離船體大型金屬物體結構，距甲板高度至少在1.5 m以上，減少信號多路徑效應。

系統安裝后，應進行測試，測試可分為通電測試和航行測試。通電測試：在靜態狀態下進行，檢查系統各部分電纜連接是否良好牢靠，正確無誤；檢查接地是否正確，牢靠；檢查供電電源輸出電壓是否正常，直流供電的極性是否正確無誤，一切正常后，開始目測系統各部分的通電運行狀況、信號的穩定性和數據的通信情況。航行測試：要選擇適宜水域設測多條往返重復測線進行橫傾、縱傾、定位延遲、電羅經偏差等系統參數改正。此外，在測試過程中還要檢查、測試DGPS接收機、聲速剖面儀、電羅徑等是否工作正常。目前，上述各測試項目不僅僅是安裝測試的要求，而且已列為每個航次或承接新測量項目之前，必須要做的工作。

（1）電羅經的測試與校準

電羅經安裝后，電羅經指向與船舶指向可能存在偏差，這個偏差叫航偏差，因為多波束測深系統發射的扇形聲波束接收陣列的排列與船艏是相互垂直的，如果電羅經的指向與船首航向不一致，將影響換能器陣列的發射，接收角度，導致覆蓋寬度減少，降低工作效率。更重要的是，這將導致除中央波束外的所有波束定位錯誤，離中央波束越遠，誤差越大，從而導致測量數據的錯誤。為此，需要對電羅經進行測試與校準。電羅經測試有三種方法，一是，為可在船舶停靠碼頭時進行，使用經緯儀精確確定船艏向，并與電羅經的指向進行對比，確定電羅經的校正值。二是，可選擇開闊的水域進行，其方法是測量船按200 m直徑的圓周運動，連續航行4周，采用專門軟件進行數據采集、分析處理，獲得校準值。三是，利用水域中的突出標志物，先在這標志物的一側作直線航行，用右舷邊緣波束測量標志物，得到一個文件；然后，在標志物的另一側作反向直線航行，同樣用右舷邊緣波束測量標志物，得到另一個文件（這兩條測線平行且與標志物的距離相等）。第一次航行時，由于存在電羅經誤差的航偏差（角）g，故突出標志物R位置的水深點R1；同樣，第二次航行時，R位置的水深點偏移到了R2，測量R1與R2之間的距離d，航跡與突出標志物點R之間的垂直距離為r，則可按式（1）計算出航偏差角，

g——航偏差；d——測量R1與R2之間的距離；r——航跡與突出標志物點R之間的垂直距離。

（2）橫傾偏差角，縱傾偏差角測定及校正

橫傾偏角是換能器與水平面垂直龍骨方向的夾角，縱傾偏差角是換能器與水平面縱向的夾角。它們是多波束測深的兩個關鍵參數，這兩個參數角實際上都包含一個動態分量和一個靜態分量。動態分量是由風、涌、波浪等因素造成的，可以通過運動傳感器（或稱波浪補償儀）予以校正。靜態分量是由于安裝時造成的，分別稱為橫傾角和縱傾角。

橫傾偏差角校正是針對多波束測深系統的換能器在安裝過程中可能存在的橫向角度誤差而引入的一種校正方法。當換能器橫向安裝角度與理論設計角存在偏差時，水底地形將受到嚴重彎曲，為此，必須進行橫傾偏差角的測定與校正。

由于定位值延遲和縱傾角（偏差）均造成測點前后位移，因此，橫傾偏差角校正獨立于其他校正，故應予首先進行測定。橫傾偏差角的測定，選擇一處比較平坦的水域布置一測線在風浪較小的狀況下，以正常的航速往返測量，選擇符合要求的兩條測線（航向相反、航跡較直且重復性較好，時間相隔短），然后用多波束測深系統的橫傾模塊，在垂直測線方向截取斷面。通過調整橫傾偏差角，使兩斷面最佳重合，這時的值就是橫傾偏差角。

3 定位導航

本項目水深測量作業平面定位擬全部采用RBN-DGPS技術實施。由于DGPS獲取的是WGS-84坐標，而測量成圖所用的坐標系為當地坐標系。因此，在測量前必須先求取WGS-84到當地坐標系之間的坐標轉換參數。

WGS-84坐標系至當地坐標系之間的坐標轉換參數可直接利用業主控制點（業主提供或從當地測繪主管部門購買）中2～3個控制點求取。為檢驗坐標轉換參數的準確度，使用RBN-DGPS接收機進行坐標比對，利用實測坐標與已知坐標的比對差來檢驗轉換參數的準確性，比對結果滿足規范要求方可投入使用。DGPS信標接收機接收交通部設立在洲島上定位系統的差分數據進行平面定位。

4 測量與數據處理

4.1 掃道設計和測線布設

（1）掃道方向

在掃道方向設計時，考慮到多波束測深系統采集的是高密度條帶式水深數據，它可以對水下地形進行全覆蓋測深。在正常工作環境中，只要船速選擇適當，就不會把特殊水深遺漏，因此，掃道方向的設計順著航道方向布設。

（2）掃道寬度

SEABAT810的掃道設計寬度為W=2D圖tanθ，式中D圖為海圖水深，θ為波束角。在實際操作中，掃道寬度根據現場水深來確定，是以掃道設計寬度值為準。另考慮到施工時對漲潮水位的充分利用，也可以實際掃側數據填滿屏幕顯示的設計范圍并有重疊為準。

（3）重疊帶寬度

《水運工程測量規范》規定：當測圖比例尺大于1：5000時，測深定位點點位中誤差限值為圖上1.5 mm，定位點記錄中誤差為圖上0.5 mm。

重疊帶寬度計算如下：

式中，

S——多波束掃側重疊帶寬度；E0——測量船定位中誤差；E1——船舶偏航系統性誤差。

根據上述的要求對重慶港航道進行測線布設：多波束測線平行于航道布設，測線間距10m，測量時根據覆蓋寬度選擇測線號，保證在測量范圍內全覆蓋測量。

4.2 測量實施和數據后處理

多波束測量使用的是PDS2000測量軟件，軟件同步采集DGPS位置數據、多波束測深儀水深測量數據、波浪補償儀姿態補償數據、電羅經數據。聲速儀實時采集聲速數據確定單波束聲速和多波束的聲速剖面。使用CARIS后處理軟件進行水深點的后處理，除去假水深，在CARIS軟件中錄入潮位信息，自動對水深數據進行水位改正。數據處理包括數據預處理和成圖兩個部分。預處理主要包括定位數據處理，聲速剖面數據處理，潮位數據處理，姿態數據處理，深度數據處理和數據編輯、去噪、合并、清項；成圖處理是對預處理后得到的水深數據進行網格化，生成數字地形模型（DTM），形成海底地形圖。

4.3 成果應用分析

對航槽施工區段的定期測量，將獲得的數據提供給施工船舶進行施工作業。通過這種方式可以提高施工效率，保證疏浚質量。得到的多波束數據能很直觀的反映出施工時遺漏的淺點，以及疏浚效能的分布。這一點通過單波束測量手段是無法做到的。下面抽取一次多波束測量后處理得到的航道區域內三維立體效果圖（圖1）。

參考文獻

[1]舒曉明.多波束在航道測量中的應用[c]//測繪荊楚——湖北省測繪學會2005年“索佳杯”學術論文集，2005.

[2]黃永軍，王閏成.多波束外業實施研究與探討[J].氣象水文海洋儀器，2006（3）.